Bài giảng Cung cấp điện - Chương 4: Sơ đồ cung cấp điện và trạm biến áp - Phạm Khánh Tùng

CUNG CẤP ĐIỆN 
BÀI GIẢNG 
Biên soạn: Phạm Khánh Tùng 
Bộ môn Kỹ thuật điện – Khoa Sư phạm kỹ thuật 
hnue.edu.vn\directory\tungpk 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
1. Các yêu cầu chung với sơ đồ cung cấp điện 
1.1. Đặc điểm 
Khi thiết kế cần lưu ý các yếu tố: 
- Điều kiện khí hậu địa hình 
- Các thiết bị đặc biệt đòi hỏi độ tin cậy cấp điện cao 
- Đặc điểm của qui trình công nghệ 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Để đảm bảo cấp điện an toàn thì sơ đồ cung cấp điện phải có cấu trúc 
hợp lý: 
+ Giảm số mạch vòng và tổn thất, các nguồn cấp điện phải được đặt 
gần các thiết bị dùng điện. 
+ Phần lớn các xí nghiệp hiện được cấp điện từ mạng của hệ thống 
điện khu vực (quốc gia). 
+ Việc xây dựng các nguồn cung cấp tự dùng cho xí nghiệp chỉ nên 
được thực hiện cho một số trường hợp đặc biệt 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
- Các hộ ở xa hệ thống năng lượng, không có liên hệ với hệ thống 
hoặc khi hệ thống không đủ công suất. 
- Khi có đòi hỏi cao về tính liên tục cấp điện, lúc này nguồn tự 
dùng đóng vai trò của nguồn dự phòng. 
- Do quá trình công nghệ cần dùng một lượng lớn nhiệt năng, hơi 
nước nóng trường hợp này thường xây dựng nhà máy nhiệt điện 
vừa để cung cấp hơi vừa để cấp điện và hỗ trợ hệ thống điện 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
1.2. Yêu cầu với sơ đồ cung cấp điện 
a) Độ tin cậy cấp điện 
Sơ đồ phải đảm bảo tin cậy cấp điện theo yêu cầu của phụ tải. 
- Hộ loại I: phải có 2 nguồn cấp điện, sơ đồ phải đảm bảo cho hộ tiêu 
thụ không được mất điện, hoặc gián đoạn trong thời gian thiết bị tự 
động đóng nguồn dự phòng. 
- Hộ loại II: được cấp bằng một hoặc hai nguồn điện. Việc lựa chọn 
số nguồn cấp điện phải dựa trên sự thiệt hại kinh tế do ngừng cấp 
điện. 
- Hộ loại III: chỉ cần cấp điện từ một nguồn. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b) An toàn cấp điện 
Sơ đồ cung cấp điện phải đảm bảo an toàn tuyệt đối cho người vận 
hành trong mọi trạng thái vận hành. 
Ngoài ra còn phải đảm bảo các yêu cầu kỹ thuật như đơn giản, thuật 
tiện vận hành, có tính linh hoạt cao trong xử lý sự cố, có biện pháp tự 
động hoá 
c) Tính kinh tế 
Sơ đồ phải có chỉ tiêu kinh tế hợp lý nhất về vốn đầu tư và chi phí 
vận hành như vậy phải được lựa chọn tối ưu 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
1.3. Biểu đồ phụ tải 
Biểu đồ phụ tải là một vòng tròn có diện tích bằng phụ tải tính toán 
của phân xưởng theo một tỷ lệ xích tuỳ chọn 
m
S
RmRS iiii
.
. 2
Si - phụ tải tính toán của phân 
xưởng i (kVA) 
m - tỷ lệ xích tuỳ chọn (kVA/cm2 
; mm2) 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
+ Mỗi phân xưởng có một biểu đồ phụ tải, tâm trùng với tâm 
phụ tải. Gần đúng có thể lấy bằng tâm hình học của phân 
xưởng. 
+ Các trạm biến áp phân xưởng phải đặt ở đúng hoặc gần tâm 
phụ tải để giảm độ dài mạng và giảm tổn thất. 
+ Biểu đồ phụ tải cho ta biết sự phân bố, cơ cấu phụ tải 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
1.4. Xác định tâm qui ước của phụ tải điện 
- Nếu trong phân xưởng có phụ tải phân bố đều trên diện tích nhà 
xưởng, thì tâm phụ tải có thể lấy trùng với tâm hình học của phân 
xưởng. 
- Trường hợp phụ tải phân bố không đều tâm phụ tải của phân 
xưởng được xác định giống như trọng tâm của một khối vật thể. 
- Lúc đó trọng tâm phụ tải là điểm M(x0, y0, z0) có các toạ độ: 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 


n
i
i
n
i
ii
S
xS
x
1
1
0


n
i
i
n
i
ii
S
yS
y
1
1
0


n
i
i
n
i
ii
S
zS
z
1
1
0
 Lưu ý: Chỉ xét đến tọa độ theo chiều cao (trục Oz) khi phụ tải bố 
trí tại độ cao khác nhau 
Si - phụ tải của phấn xưởng thứ i. 
xi, yi, zi - toạ độ của phụ tải thứ i theo một hệ trục toạ độ tuỳ chọn 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Khi có xét tới thời gian làm việc của các hộ phụ tải: 


n
i
ii
n
i
iii
TS
TxS
x
1
1
0


n
i
ii
n
i
iii
TS
TyS
y
1
1
0
Ti - thời gian làm việc của phụ tải thứ i 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
2. Trạm biến áp 
2.1. Phân loại và vị trí đặt trạm 
a) Phân loại 
- Trạm biến áp: Biến đổi điện áp, thường từ cao → thấp 
 + Trạm trung gian: có điện áp 35÷220 kV 
 + Trạm phân xưởng: biến đổi 6÷10(35) kV → 0,4 (0,6) kV. 
- Trạm phân phối: Chỉ phân phối điện năng trong cùng cấp điện áp. 
- Trạm đổi điện: Thực hiện chỉnh lưu hoặc biến đổi tần số từ fđm = 50 
Hz sang tần số khác 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b) Vị trí đặt trạm 
- Nguyên tắc chung 
+ Gần tâm phụ tải. 
+ Không ảnh hưởng đi lại và sản xuất. 
+ Điều kiện thông gió, phòng cháy, nổ tốt, tránh bụi, hơi hoá chất. 
+ Với các xí nghiệp lớn, phụ tải tập trung thành những vùng rõ rệt thì 
phải xác định tâm phụ tải của từng vùng riêng biệt, xí nghiệp sẽ có 
nhiều trạm biến áp chính đặt tại các tâm đó 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
2.2. Lựa chọn số lượng, dung lượng máy biến áp cho trạm 
a) Số lượng máy biến áp 
+ Trạm 1 máy: loại trạm này tiết kiệm diện tích đất, vận hành đơn 
giản với chi phí vận hành thấp, nhưng không đảm bảo được độ tin 
cậy cung cấp điện như trạm 2 máy. 
+ Trạm 2 máy: thường có lợi về kinh tế hơn trạm 3 máy. 
+ Trạm 3 máy: chỉ được dùng vào trường hợp đặc biệt 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Hộ loại I: được cấp từ 2 nguồn độc lập (có thể lấy nguồn từ 2 trạm 
gần nhất mỗi trạm đó chỉ cần 1 máy). 
Nếu hộ loại 1 nhận điện từ một trạm biến áp, thì trạm đó cần phải có 2 
máy và mỗi máy đấu vào 1 phân đoạn riêng, giữa các phân đoạn phải 
có thiết bị đóng tự động. 
Hộ loai II: cũng cần có nguồn dự phòng có thể đóng tự động hoặc 
bằng tay. Nếu hộ loại 2 nhận điện từ chỉ một trạm thì trạm đó cũng 
cần phải có 2 máy hoặc có một máy đang vận hành và máy khác để 
dự phòng nguội. 
Hộ loại III: trạm chỉ cần 1 máy. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b) Chọn dung lượng máy biến áp 
Một số điểm cần lưu ý khi chọn dung lượng máy: 
+ Dãy công suất máy biến áp 
+ Hiệu chỉnh nhiệt độ 
+ Khả năng quá tải của máy 
+ Phụ tải tính toán 
+ Tham khảo số liệu dung lượng biến áp theo điều kiện tổn thất 
kim loại mầu ít nhất. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
- Dãy công suất 
+ Dãy công suất của máy biến áp: 50, 100, 180, 320, 560, 750, 
1000, 1800, 3200, 5600 kVA 
+ Trong cùng một xí nghiệp nên chọn cùng một cỡ công suất, nếu 
phụ tải Ptt khác nhau có thể lựa chọn nhiều hơn một loại nhưng 
không vượt quá 2-3 loại điều này thuận tiện cho thay thế, sửa chữa, 
dự trữ trong kho. 
+ Máy biến áp phân xưởng nên chọn có công suất từ 1000 kVA đổ 
lại, từ đó chiều dài mạng hạ áp ngắn lại dẫn đến giảm tổn thất 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
- Hiệu chỉnh nhiệt độ 
Máy biến áp do Liên Xô chế tạo được qui định: 
+ Nhiệt độ trung bình hàng năm: θtb = + 5
oC 
+ Nhiệt độ cực đại trong năm: θcđ = +35
oC 
dung lượng máy biến áp cần được hiệu chỉnh theo môi trường lắp 
đặt thực tế 
100
5
1' tbđmđm SS

 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
- Chọn dung lượng máy biến áp theo phụ tải tính toán 
+ Trong điều kiện bình thường: 
 Trạm 1 máy: Sđm ≥ Stt 
 Trạm n máy: n.Sđm ≥ Stt 
Trường hợp cần thiết có thể xét thêm quá tải lúc bình thường, như 
vậy có thể cho phép chọn được máy có dung lượng giảm đi nhằm 
tiết kiệm vốn đầu tư. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
+ Trường hợp sự cố 1 máy: xét trạm từ 2 máy trở lên hoặc đứt một 
đường dây 
Trạm 2 máy: 
 kqt.Sđm ≥ Ssc 
Trạm n máy: 
 (n-1).kqt.Sđm ≥ Ssc 
khi không có số liệu có thể lấy kqt = 1,4 với điều kiện hệ số tải trước 
sự cố không quá 93 % và không tải quá 3 ngày, mỗi ngày không 
quá 6 giờ. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
2.3. Vận hành kinh tế trạm biến áp 
a. Theo tổn thất công suất trong trạm biến áp 
2
đm
pt'
N
'
0
'
ba
S
S
PPP 
00
'
0 QkPP - tổn thất không tải qui dẫn 
NNN QkPP 
' - tổn thất ngắn mạch qui dẫn 
k - hệ số qui đổi (còn gọi đương lượng kinh tế của công suất 
phản kháng) cho biết tổn thất công suất tác dụng do phải 
truyền tải công suất phản kháng 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Như vậy giữa tổn thất và công suất có quan hệ 
2' .SbaPba 
'
0
P.na 
2
đm
'
N
S
P
n
1
b
 Với 
Đường đồ thị biểu diễn tổn thất công suất là đường parabol, độ 
dốc phụ thuộc vào hệ số b 
Trường hợp có n máy giống nhau mắc song song 
2
.
''
0
' 1. 
bađm
Nba
S
S
P
n
PnP
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Tổn thất trong trạm biến áp với các chế độ 1 máy, 2 máy và 3 
máy biến áp làm việc 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Vậy ta có thể tính được giá trị công suất, mà tại đó có thể đưa 
thêm một máy vào làm việc song song, tức là từ vận hành n sang 
(n+1) máy bằng cách cho tổn thất ứng với n và (n+1) máy bằng 
nhau 
2
đm
pt'
N
'
0
2
đm
pt'
N
'
0
S
S
P
1n
1
P.1n
S
S
P
n
1
P.n 
)1n(n
P
P
SS
'
N
'
0
đmpt 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Từ biểu thức có thể xác định được các giá trị S1 và S2 
trên đồ thị 
'
N
'
0
đm1
P
P
2SS
'
N
'
0
đm2
P
P
6SS
ứng với n = 1 
ứng với n = 2 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Ví dụ: Trạm biến áp gồm 3 máy giống nhau có thông số Sđm = 560 
kVA; ΔP0 = 2,5 kW; ΔPN = 9,4 kW. Hãy xác định thời điểm đóng thêm 
máy biến áp theo quan điểm vận hành kinh tế trạm biến áp. 
Giải: 
Thời điểm để đóng máy biến áp thứ 2 
)kVA( 408
4,9
5,2
2560
P
P
2SS
'
N
'
0
đm1 
Thời điểm để đóng máy biến áp thứ 3 
)kVA( 707
4,9
5,2
6560
P
P
6SS
'
N
'
0
đm2 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b. Theo tổn thất điện năng trong trạm biến áp 
+ Phương thức vận hành theo tổn thất công suất nhỏ nhất như trên 
là đơn giản, tuy nhiên lại chưa hoàn toàn chính xác, do tính toán 
kinh tế kỹ thuật lại kể đến tổn thất điện năng, do đó yêu cầu đối với 
trạm biến áp là vận hành sao cho tổn thất điện năng trong trạm 
biến áp là nhỏ nhất. 
+ Tổn thất điện năng ∆A hàng năm tính bằng biểu thức 

2
''
0 . 
đm
tt
N
S
S
PtPA
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Như vậy ứng với mỗi chế độ làm việc của máy biến áp (làm việc 1 
ca, 2 ca, 3 ca) ta sẽ có trị số t và τ coi như không đổi 
Tối thiểu hóa hàm tổn thất băng cách lấy đạo hàm của hàm 
∆A = f(S) và cho bằng không 
0 

 
S
A
Từ đó tính được dung lượng tối ưu Stư khi (∆A → min) 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
3. Đo lường và kiểm tra trạm biến áp 
Các dụng cụ đo lường và kiểm tra trong các trạm biến áp và trạm 
phân phối trung tâm của xí nghiệp công nghiệp được đặt ra để 
theo dõi các chế độ làm việc của các trang thiết bị điện và xác 
định trạng thái. 
Các thiết bị đo lường và kiểm tra phải đặt sao cho các nhân viên 
vận hành, trực có thể theo dõi các chỉ số của chúng một cách dẽ 
dàng. 
Các dụng cụ đo lường và kiểm tra đường dây và trạm được đặt 
theo một số mẫu: 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
a. Với đường dây: 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b. Với các trạm biến áp: 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
4. Lựa chọn cấp điện áp cho hệ thống cung cấp điện 
4.1. Các cấp điện áp dùng trong hệ thống 
- Theo chức năng: + Cung cấp trực tiếp cho thiết bị. 
 + Truyền tải điện năng đến hộ tiêu thụ. 
a. Điện áp cấp đến thiết bị: 
+ Thiết bị động lực: 127/220; 220/380; 380/660 V. 
+ Các động cơ công suất lớn 6 ÷ 10 kV. 
+ Thiết bị công nghệ khác: công suất đến 10 MVA cấp qua máy 6 ÷ 
20 kV, công suất 15 ÷ 45 MVA cấp qua máy 35 ÷ 110 kV. 
+ Thiết bị chiếu sáng 220; 110; 30; 12 V. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
b. Điện áp truyền tải phân phối: 
Từ nguồn (hệ thống) đến xí nghiệp (trạm biến áp trung tâm, trạm 
phân phối) 
+ Miền Bắc: (220); 110; 35; 22; 10; 6; 0,4; 0,2 kV. 
+ Miến Nam: (220), 66; 31,5; 13,2; 6,6; 0,2 kV. 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
4.2. Lựa chọn điện áp tối ưu cho hệ thông cung cấp điện 
- Lựa chọn điện áp cho xí nghiệp có ý nghĩa kinh tế rất lớn, do đo 
phải được so sánh kinh tế - kỹ thuật từ nhiều phương áp. 
- Trước tiên các phương án về điện áp cho xí nghiệp được đưa ra, 
sau đó tính hàm chi phí tính toán của chúng 
Atcvhtt
CK.aaZ 
So sánh và tìm ra Zmin từ đó xác định phương án được chọn và tìm 
được cấp điện áp tối ưu nằm trong dãy điện áp tiêu chuẩn 
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
+ Ngoài ra trong thực tế nhiều khi cần biết được điện áp tối ưu 
ngoài dẫy qui chuẩn (trong trường hợp làm qui hoạch định hướng 
phát triển) có thể xác định được bằng cách xây dựng hàm liên tục 
của chi phí tính toán theo điện áp. 
 UfZ
tt
Tối thiểu hóa hàm chi phí từ đó tìm được Utư 
0 


U
Z
 CHƯƠNG 4: SƠ ĐỒ CUNG CẤP ĐIỆN VÀ TRẠM BIẾN ÁP 
Một số công thức kinh nghiệm để tính điện áp tối ưu theo các đại 
lượng: công suất, khoảng cách truyền tải và điện áp: 
lSU .5,13 
PlU .1634,4 
4 .16 lPU 
P
l
U 
16
17
U (kV) - điện áp truyền tải. 
P (MW) - công suất truyền tải 
l (km) - khoảng cách cần truyền 
tải